Основы теории управления

Современный этап развития промышленного производства характеризу­ется переходом к использованию передовых технологий, стремлением добиться предельно высоких эксплуатационных характеристик как действующего, так проектируемого оборудования, необходимостью свести к минимуму любые производственные потери. Все это возможно только при условии существенно­го повышения качества управления промышленными объектами, в том числе путем широкого применения автоматического управления.

Технико-экономическими предпосылками создания автоматического ре­гулирования являются, прежде всего, рост масштабов производства, увеличе­ние единичной мощности оборудования, усложнение производственных про­цессов, ужесточение требований к промышленной безопасности на опасных производственных объектах, использование форсированных режимов (повы­шения давления, температуры, вибрации), функционирование установок в кри­тических режимах усиление и усложнение связей между отдельными звеньями технологического процесса. В настоящее время предъявляются новые требова­ния к масштабам использования и к техническому уровню автоматических си­стем, к обеспечению надежности, точности, быстродействия, экономичности, т.е. к эффективности их функционирования.

Управление, осуществляемое без участия человека, называют автомати­ческим,а техническое устройство, выполняющее в этом случае функции управления, - автоматическим управляющим устройствомили контролле­ром.Объект управления и контроллер во взаимодействии друг с другом обра­зуют систему автоматического управления.Обычно контроллер действует на объект управления не прямо, а через исполнительные механизмы (приводы),

которые могут усиливать и преобразовывать сигнал управления. Например, электрический сигнал может «превращаться» в перемещение клапана. Чтобы контроллер мог «видеть», что фактически происходит с объектом, нужны дат­чики. С помощью датчиков измеряются те характеристики объекта, которыми нужно управлять. Качество управления можно улучшить, если получать допол­нительную информацию - измерять внутренние свойства объекта.

Итак, в типичную систему управления входят управляемый объект, кон­троллер, привод и датчики в соответствии с рисунком 9 {показано на фолии 35). Однако, набор этих элементов, еще не система. Для превращения в систему нужны каналы связи, через них идет обмен информации между элементами. Взаимосвязанные элементы - это уже система, которая обладает особыми свой­ствами, которых нет у отдельных элементов и любой их комбинации. На систе­му действует окружающая среда - внешние возмущения, которые мешают кон­троллеру выполнить поставленную задачу. Большинство возмущений заранее не предсказуемы, то есть, носят случайный характер. Кроме того, датчики из­меряют параметры не точно, а с некоторой ошибкой. В этом случае говорят о «шумах измерений». Ниже приведена структурная схема системы управления.

задание

Управление

*- шумы измерении

* внешние возмущения

Рисунок 9 - Структурная схема системы управления

Информация в системе управления как бы ходит по кругу: контроллер выдает сигнал управления на привод, который воздействует непосредственно на объект; затем информация об объекте через датчики возвращается обратно к контроллеру и все начинается заново. В данной системе есть обратная связь, то есть контроллер использует информацию о состоянии объекта для выработки управления. Системы с обратной связью называют замкнутыми, поскольку ин­формация передается по замкнутому контуру.

Контроллер сравнивает заданный сигнал с сигналами обратной связи от датчиков и определяет рассогласование - разницу между заданным и фактиче­ским состоянием в соответствии с рисунком 10 {показано на фолии 36). Если оно равно нулю, никакого управления не требуется. Если разница есть, кон­троллер выдает управляющий сигнал, который стремится свести рассогласова­ние к нулю. Схема контроллера приведена ниже.

обратнаясвязь

Рисунок 10 - Схема контроллера

Такая схема показывает управление по ошибке (отклонению). Это значит, что для того, чтобы контроллер начал действовать, нужно, чтобы заданная ве­личина отклонилась от заданного значения. Блок, обозначенный знаком «^», находит рассогласование. В простейшем случае в нем из заданного значения вычитается сигнал обратной связи (измеренное значение).

Можно ли управлять объектом так, чтобы не было ошибки? В реальных системах - нет. Прежде всего, из-за внешних воздействий и шумов, которые за­ранее неизвестны. Кроме того, объекты управления обладают инерционностью, то есть, не могут мгновенно перейти из одного состояния в другое. Возможно­сти контроллера и приводов (мощность сигнала управления) всегда ограниче­ны, поэтому быстродействие системы управления (переход работы системы на новый режим) также ограничена.

Автоматические системы управления применяются для решения трех ти­пов задач:

- стабилизация, то есть поддержание заданного режима работы, который не меняется длительное время;

- программное управление - управление по заранее известной программе;

- слежение за задающим сигналом.

К системам стабилизации относится, например, поддержание заданного давления на выходе ГРС. Системы программного управления широко исполь­зуются в бытовой технике, например, в стиральных машинах. Следящие систе­мы служат для усиления и преобразования сигналов при передаче команд по каналам связи, например, через Интернет. В системах автоматического управ­ления ГРС в основном решаются первый и третий тип задач.

По количеству входов и выходов системы бывают:

- одномерные системы, у которых один вход и один выход;

- многомерные системы, имеющие несколько входов и/или выходов (в основном применяемые на современных производствах, в том числе и на ГРС).

Исследование многомерных систем - достаточно сложная задача. Поэто­му при изучении и в инженерных расчетах стараются упрощенно представить многомерную систему как несколько одномерных.

По характеру сигналов системы могут быть:

- непрерывными, в которых все сигналы - функции непрерывного време­ни, определенные на некотором интервале;

- дискретными, в которых используются дискретные сигналы (последо­вательности чисел), определенные только в отдельные моменты времени;

- непрерывно-дискретными, в которых есть как непрерывные, так и дис­кретные сигналы.

Самый простой вариант - считать, что все параметры объекта определены (заданы) точно, так же, как и внешние воздействия. В этом случае мы говорим о детерминированных системах. В реальных задачах точных данных у нас нет. Прежде всего, это относится к внешним воздействиям. Системы, в которых действуют случайные возмущения или параметры объекта могут изменяться случайным образом, называются вероятностными. Например, нельзя гаранти­ровать, что отклонение давление газа на выходе ГРС будет не более 0.01 мгП, но можно попытаться обеспечить такое отклонение с некоторой вероятностью (вероятность 99% означает, что требование будет выполнено в 99 случаях из

по

100). Требования к системе можно сформулировать в виде задачи оптимизации. В оптимальных системах регулятор строится так, чтобы обеспечить минимум или максимум какого-то критерия качества. Выражение «оптимальная система» не означает, что она действительно идеальная.

В целом можно выделить следующие основные требования:

- точность - в установившемся режиме система должна поддерживать заданное значение выхода системы, причем ошибка (разница между заданным и фактическим значением) не должна превышать допустимую;

- устойчивость - система должна оставаться устойчивой на всех режи­мах, не должна идти «вразнос» (ГРС не должна останавливаться при увеличе­нии давления на входе);

- качество переходных процессов - при смене заданного значения систе­ма должна переходить в нужное состояние быстро и плавно;

Система должна сохранять устойчивость и приемлемое качество даже в том случае, если динамика объекта и свойства внешних возмущений немного отличаются от тех, что использовались при проектировании.